CN105391284B - 减小三相整流型负载下逆变器输出电压thd的控制系统及方法 - Google Patents

减小三相整流型负载下逆变器输出电压thd的控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种减小三相整流型负载下逆变器输出电压THD(Total Harmonic Distortion，总谐波失真)的控制系统，其包括：输出电压反馈控制、输出电容电流反馈控制、输出电感电流5/7次谐波前馈控制和PWM调制模块。本发明还公开了减小三相整流型负载下逆变器输出电压THD的控制方法。本发明通过对dq坐标系下输出电感电流的5、7谐波进行正确极性的前馈控制来减小三相整流型负载对逆变器输出电压的影响，克服了现有矢量控制方法无法抑制三相整流型负载带来的输出电压谐波分量过大的问题，有效地减小逆变器输出电压THD。

Description

减小三相整流型负载下逆变器输出电压THD的控制系统及 方法
技术领域
本发明涉及电力电子变流器控制技术领域，特别是涉及一种减小三相整流型负载下逆变器输出电压总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)的控制方法。
背景技术
大功率离网逆变器是分布式新能源微电网的重要电力电子装置，将直流母线的直流电压逆变为工频正弦波电压，以实现稳定整个微电网交流母线电压和提供功率给交流负荷的重要作用。逆变器的输出电压的谐波对交流负荷有不利的影响，如：加速设备老化、缩短设备使用寿命、甚至损坏设备等。国标GB/T20321.1-2006规定：离网型风能、太阳能发电系统用逆变器的输出波形THD应小于或等于5％。
dq变换是一种将参考坐标自旋转电机的定子侧转移到转子侧的坐标变换，原用于同步电机的暂态分析，经多年的发展，主要应用在电能质量分析、无功补偿、逆变、电机调速等技术领域。在具体逆变器的控制中，dq变换常用于电网电压的数字锁相、控制环路检测变量(如：输出电压、输出电流、电感电流等)的坐标变换、正/负序分量提取等，是逆变器实现矢量控制的重要手段。采用基于dq变换的矢量变换可较少逆变器的变量耦合，简化逆变器的数学模型，提高逆变器的控制稳定性和精度。
大功率离网逆变器通常采用如图1所示拓扑电路和如图2所示的矢量控制方法，基于该矢量控制方法，可实现满载纯阻性负载或单相整流型负载下逆变器输出电压谐波分量达标逆变器输出电压THD小于5％，但在满载三相整流型负载下逆变器输出电压THD远大于5％。因此，常用的矢量控制方法并不满足三相整流型负载下大功率离网逆变器的要求。基于目前逆变器负载多数是单相小功率整流型负荷的考虑，现常见的处理方式是逆变器输出电压THD标准测试时只考虑纯阻负载和单相整流型负载，但是随着今后三相UPS、三相电机驱动器等三相整流型负载的快速发展和推广应用，逆变器的THD标准测试必将考虑三相整流型负载，逆变器的矢量控制方法也必须改进以满足逆变器技术发展的需要。
发明内容
为克服现有大功率离网逆变器矢量控制方法对三相整流型负载下逆变器输出电压THD控制效果不佳的缺点，本发明的目的之一在于提供一种减小三相整流型负载下逆变器输出电压THD的控制系统，其通过引入了5/7次谐波正确极性的前馈控制，能有效减小三相整流型负载下逆变器输出电压的THD。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种减小三相整流型负载下逆变器输出电压THD的控制系统，其包括：
输出电压反馈控制模块，用于将三相输出电压采样信号vOA、vOB、vOC进行基频dq变换，得到dq坐标系下的电压反馈信号vOd、vOq；所得的两个电压反馈信号vOd、vOq分别与其参考值vOdref、vOqref作比较，其差分别通过第一PI调节器控制后分别得到dq坐标系下的指令信号iCdref、iCqref；
输出电容电流反馈控制模块，用于将三相电感电流采样信号iLA、iLB、iLC与三相输出电流采样信号iOA、iOB、iOC分别作差，得到输出电容电流反馈信号iCA、iCB、iCC；将得的输出电容电流反馈信号iCA、iCB、iCC进行基频dq变换，得到dq坐标系下的基频反馈信号iCd、iCq；所得的两个基频反馈信号iCd、iCq分别与其指令信号iCdref、iCqref作比较，其差分别通过第二PI调节器控制后分别得到dq坐标系下的电容电流反馈控制信号vOdreg1、vOqreg1；
输出电感电流5/7次谐波前馈控制模块，用于将三相电感电流采样信号iLA、iLB、iLC进行工频的5倍频dq变换和7倍频dq变换，并均经一阶惯性环节滤波后得到dq坐系下的5倍频反馈信号iLd5(5)、iLq5(5)和7倍频反馈信号iLd7(7)、iLq7(7)；所得的5倍频反馈信号iLd5(5)、iLq5(5)再分别进行iLd5(5)、iLq5(5)工频的5倍频dq反变换得到abc坐标系下的5倍频abc坐标信号iLA5(5)、iLB5(5)和iLC5(5)；所得的7倍频反馈信号iLd7(7)、iLq7(7)再分别进行iLd7(7)、iLq7(7)工频的7倍频dq反变换得到abc坐标系下的7倍频abc坐标信号iLA7(7)、iLB7(7)和iLC7(7)；将所得的5倍频abc坐标信号iLA5(5)、iLB5(5)、iLC5(5)进行基频dq变换，得到dq坐系下的5倍频初始调制信号iLd(5)和iLq(5)；将所得的7倍频abc坐标信号iLA7(7)、iLB7(7)和iLC7(7)进行基频dq变换，得到dq坐系下的7倍频初始调制信号iLd(7)和iLq(7)；所得的5倍频初始调制信号iLd(5)、iLq(5)以及7倍频初始调制信号iLd(7)、iLq(7)分别乘以-K1、K1、K2、-K2得到dq坐标系下的5倍频输出调制信号vOqreg2(5)、vOdreg2(5)和7倍频输出调制信号vOqreg2(7)、vOdreg2(7)，其中K1、K2为正实数常量；
PWM调制模块，用于将输出调制信号vOdreg、vOqreg进行基频dq反变换，得到三相输出调制信号vOAreg、vOBreg、vOCreg；三相输出调制信号vOAreg、vOBreg、vOCreg分别与载波比较进行PWM调制，得到三相桥臂上开关器件的控制脉冲，将所述控制脉冲通过驱动电路后控制逆变器工作；所述输出调制信号vOdreg由电压反馈信号vOd、电容电流反馈控制信号vOdreg1、5倍频输出调制信号vOdreg2(5)和7倍频输出调制信号vOdreg2(7)相加所得；所述输出调制信号vOqreg由电压反馈信号vOq、电容电流反馈控制信号vOqreg1、5倍频输出调制信号vOqreg2(5)和7倍频输出调制信号vOqreg2(7)相加所得。
本发明的另一目的在于提供一种减小三相整流型负载下逆变器输出电压THD的控制方法，其通过引入了5/7次谐波正确极性的前馈控制，能有效减小三相整流型负载下逆变器输出电压的THD。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种减小三相整流型负载下逆变器输出电压THD的控制方法，其包括以下步骤：
步骤1、将三相输出电压采样信号vOA、vOB、vOC进行基频dq变换，得到dq坐标系下的电压反馈信号vOd、vOq；所得的两个电压反馈信号vOd、vOq分别与其参考值vOdref、vOqref作比较，其差分别通过第一PI调节器控制后分别得到dq坐标系下的指令信号iCdref、iCqref；
步骤2、将三相电感电流采样信号iLA、iLB、iLC与三相输出电流采样信号iOA、iOB、iOC分别作差，得到输出电容电流反馈信号iCA、iCB、iCC；将得的输出电容电流反馈信号iCA、iCB、iCC进行基频dq变换，得到dq坐标系下的基频反馈信号iCd、iCq；所得的两个基频反馈信号iCd、iCq分别与其指令信号iCdref、iCqref作比较，其差分别通过第二PI调节器控制后分别得到dq坐标系下的电容电流反馈控制信号vOdreg1、vOqreg1
步骤3、将三相电感电流采样信号iLA、iLB、iLC进行工频的5倍频dq变换和7倍频dq变换，并均经一阶惯性环节滤波后得到dq坐系下的5倍频反馈信号iLd5(5)、iLq5(5)和7倍频反馈信号iLd7(7)、iLq7(7)；所得的5倍频反馈信号iLd5(5)、iLq5(5)再分别进行iLd5(5)、iLq5(5)工频的5倍频dq反变换得到abc坐标系下的5倍频abc坐标信号iLA5(5)、iLB5(5)和iLC5(5)；所得的7倍频反馈信号iLd7(7)、iLq7(7)再分别进行iLd7(7)、iLq7(7)工频的7倍频dq反变换得到abc坐标系下的7倍频abc坐标信号iLA7(7)、iLB7(7)和iLC7(7)；将所得的5倍频abc坐标信号iLA5(5)、iLB5(5)、iLC5(5)进行基频dq变换，得到dq坐系下的5倍频初始调制信号iLd(5)和iLq(5)；将所得的7倍频abc坐标信号iLA7(7)、iLB7(7)和iLC7(7)进行基频dq变换，得到dq坐系下的7倍频初始调制信号iLd(7)和iLq(7)；所得的5倍频初始调制信号iLd(5)、iLq(5)以及7倍频初始调制信号iLd(7)、iLq(7)分别乘以-K1、K1、K2、-K2得到dq坐标系下的5倍频输出调制信号vOqreg2(5)、vOdreg2(5)和7倍频输出调制信号vOqreg2(7)、vOdreg2(7)，其中K1、K2为正实数常量；
步骤4、将输出调制信号vOdreg、vOqreg进行基频dq反变换，得到三相输出调制信号vOAreg、vOBreg、vOCreg；三相输出调制信号vOAreg、vOBreg、vOCreg分别与载波比较进行PWM调制，得到三相桥臂上开关器件的控制脉冲，将所述控制脉冲通过驱动电路后控制逆变器工作；所述输出调制信号vOdreg由电压反馈信号vOd、电容电流反馈控制信号vOdreg1、5倍频输出调制信号vOdreg2(5)和7倍频输出调制信号vOdreg2(7)相加所得；所述输出调制信号vOqreg由电压反馈信号vOq、电容电流反馈控制信号vOqreg1、5倍频输出调制信号vOqreg2(5)和7倍频输出调制信号vOqreg2(7)相加所得。
三相整流型负载的5、7次谐波分量较大，采用现有的矢量控制方法，大功率离网逆变器的输出电压THD大于5％。本发明提出的减小三相整流型负载下逆变器输出电压THD的控制方法，引入了5/7次谐波正确极性的前馈控制，克服了原有控制方法无法抑制三相整流型负载带来的输出电压谐波分量过大的问题，从而能减小逆变器输出电压的波形畸变，使THD小于5％。
附图说明
图1为常用的大功率离网逆变器的电路结构示意图。
图2为常用的大功率离网逆变器矢量控制方法的示意图。
图3为本发明减小三相整流型负载下逆变器输出电压THD的控制方法在一实施例中的示意图。
图4为逆变器的三相负载电流仿真波形。
图5为采用常用矢量控制方法的逆变器三相输出电压仿真波形。
图6为采用本发明所提出控制方法的逆变器三相输出电压仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图3所示本实施例提供了其中一种减小三相整流型负载下逆变器输出电压THD的控制方法，包括：一个输出电压反馈控制模块、一个输出电容电流反馈控制模块、一个输出电感电流5/7次谐波前馈控制模块和一个PWM调制模块。
所述输出电压反馈控制模块实现逆变器的三相输出电压跟随指令，并提供输出电容电流反馈控制所需的指令信号。如图1所示的三相输出电压采样信号vOA、vOB、vOC，经基频(工频)dq变换后得到dq坐标系下的反馈信号vOd、vOq；将vOd、vOq分别与其参考值vOdref、vOqref作比较，其差分别通过PI调节器控制后分别得到输出电容电流dq坐标系下的指令信号iCdref、iCqref。
所述输出电容电流反馈控制模块抑制基频负载电流和一部分高频负载电流流入输出电容，从而减小负载电流对输出电压的影响。如图1所示的三相电感电流采样信号iLA、iLB、iLC与三相输出电流采样信号iOA、iOB、iOC分别作差，得到输出电容电流反馈信号iCA、iCB、iCC；将iCA、iCB、iCC进行基频dq变换，得到dq坐标系下的反馈信号iCd、iCq；iCd、iCq分别与其参考值iCdref、iCqref作比较，其差分别通过PI调节器控制后分别得到dq坐标系下的输出调制信号vOdreg1、vOqreg1。
仅通过电容电流反馈控制模块抑制负载电流的基波和所有谐波分量流入输出电容，在负载电流谐波分量较大时需大幅提高输出电容电流反馈控制模块中PI控制的增益和带宽，但往往导致逆变器的输出电压出现震荡等不稳定现象。故需引入改进的控制方法，以同时兼顾逆变器高稳定性和输出电压低THD。
三相整流型负载的5、7次谐波分量大，是导致逆变器输出电压THD大的主要因素。为解决该问题，在一较佳实施例中，引入所述输出电感电流5/7次谐波前馈控制模块。如图1所示三相电感电流采样信号iLA、iLB、iLC进行工频的5倍频dq变换和7倍频dq变换，并经一阶惯性环节滤波后得到dq坐系下的信号iLd5(5)、iLq5(5)、iLd7(7)和iLq7(7)；进行iLd5(5)、iLq5(5)工频的5倍频dq反变换和iLd7(7)、iLq7(7)7倍频dq反变换得到abc坐标系下的信号iLA5(5)、iLB5(5)、iLC5(5)、iLA7(7)、iLB7(7)和iLC7(7)；将iLA5(5)、iLB5(5)、iLC5(5)和iLA7(7)、iLB7(7)、iLC7(7)分别进行基频dq变换，得到dq坐系下的信号iLd(5)、iLq(5)、iLd(7)和iLq(7)；所得的四个信号分别乘以-K1、K1、K2、-K2得到dq坐标系下的输出调制信号vOqreg2(5)、vOdreg2(5)、vOqreg2(7)、vOdreg2(7)，其中K1、K2为正实数常量。
所述PWM调制模块产生总的调制信号，并进行PWM调制生成逆变桥所有开关器件的控制脉冲。将上述三个控制模块得到的信号vOd、vOdreg1、vOdreg2(5)和vOdreg2(7)加和得到dq坐标系下的输出调制信号vOdreg，将上述三个控制模块得到的信号vOq、vOqreg1、vOqreg2(5)和vOqreg2(7)加和得到dq坐标系下的输出调制信号vOqreg；所得的两个调制信号进行基频dq反变换，得到三相输出调制信号vOAreg、vOBreg、vOCreg；所得的三相输出调制信号分别与载波比较进行PWM调制，得到三相桥臂上开关器件的控制脉冲，通过驱动电路后控制逆变器工作，以实现各种控制目标。
图4为仿真试验中逆变器的三相负载电流波形，各相负载波形由150A的基波电流、120A的5次谐波电流和90A的7次谐波电流组成，可近似看为三相整流型负载的电流波形。
图5为采用常用矢量控制方法的逆变器三相输出电压仿真波形，可见在大功率三相整流型负载下，逆变器输出电压波形畸变严重，THD高达11.4％。
图6为采用本发明所提出控制方法的逆变器三相输出电压仿真波形，可见由于输出电感电流5、7次谐波的前馈控制抑制了逆变器输出电压波形的畸变，THD仅为1.6％。
本发明上述一种减小三相整流型负载下逆变器输出电压THD的控制方法，在常用的大功率离网逆变器矢量控制方法中引入dq坐标系下输出电感电流的5、7谐波进行正确极性的前馈控制，可在减小输出电容电流反馈控制模块PI控制调节压力的同时抑制了三相整流型负载5、7次谐波电流流入输出电容，因此可以同时兼顾逆变器的高稳定性和输出电压低THD。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种减小三相整流型负载下逆变器输出电压THD的控制系统，其特征在于，其包括：
输出电压反馈控制模块，用于将三相输出电压采样信号vOA、vOB、vOC进行基频dq变换，得到dq坐标系下的电压反馈信号vOd、vOq；所得的两个电压反馈信号vOd、vOq分别与其参考值vOdref、vOqref作比较，其差分别通过第一PI调节器控制后分别得到dq坐标系下的指令信号iCdref、iCqref；
输出电容电流反馈控制模块，用于将三相电感电流采样信号iLA、iLB、iLC与三相输出电流采样信号iOA、iOB、iOC分别作差，得到输出电容电流反馈信号iCA、iCB、iCC；将得的输出电容电流反馈信号iCA、iCB、iCC进行基频dq变换，得到dq坐标系下的基频反馈信号iCd、iCq；所得的两个基频反馈信号iCd、iCq分别与其指令信号iCdref、iCqref作比较，其差分别通过第二PI调节器控制后分别得到dq坐标系下的电容电流反馈控制信号vOdreg1、vOqreg1；
输出电感电流5/7次谐波前馈控制模块，用于将三相电感电流采样信号iLA、iLB、iLC进行工频的5倍频dq变换和7倍频dq变换，并均经一阶惯性环节滤波后得到dq坐系下的5倍频反馈信号iLd5(5)、iLq5(5)和7倍频反馈信号iLd7(7)、iLq7(7)；所得的5倍频反馈信号iLd5(5)、iLq5(5)再分别进行iLd5(5)、iLq5(5)工频的5倍频dq反变换得到abc坐标系下的5倍频abc坐标信号iLA5(5)、iLB5(5)和iLC5(5)；所得的7倍频反馈信号iLd7(7)、iLq7(7)再分别进行iLd7(7)、iLq7(7)工频的7倍频dq反变换得到abc坐标系下的7倍频abc坐标信号iLA7(7)、iLB7(7)和iLC7(7)；将所得的5倍频abc坐标信号iLA5(5)、iLB5(5)、iLC5(5)进行基频dq变换，得到dq坐系下的5倍频初始调制信号iLd(5)和iLq(5)；将所得的7倍频abc坐标信号iLA7(7)、iLB7(7)和iLC7(7)进行基频dq变换，得到dq坐系下的7倍频初始调制信号iLd(7)和iLq(7)；所得的5倍频初始调制信号iLd(5)、iLq(5)以及7倍频初始调制信号iLd(7)、iLq(7)分别乘以-K1、K1、K2、-K2得到dq坐标系下的5倍频输出调制信号vOqreg2(5)、vOdreg2(5)和7倍频输出调制信号vOqreg2(7)、vOdreg2(7)，其中K1、K2为正实数常量；
PWM调制模块，用于将输出调制信号vOdreg、vOqreg进行基频dq反变换，得到三相输出调制信号vOAreg、vOBreg、vOCreg；三相输出调制信号vOAreg、vOBreg、vOCreg分别与载波比较进行PWM调制，得到三相桥臂上开关器件的控制脉冲，将所述控制脉冲通过驱动电路后控制逆变器工作；所述输出调制信号vOdreg由电压反馈信号vOd、电容电流反馈控制信号vOdreg1、5倍频输出调制信号vOdreg2(5)和7倍频输出调制信号vOdreg2(7)相加所得；所述输出调制信号vOqreg由电压反馈信号vOq、电容电流反馈控制信号vOqreg1、5倍频输出调制信号vOqreg2(5)和7倍频输出调制信号vOqreg2(7)相加所得。
2.一种减小三相整流型负载下逆变器输出电压THD的控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤1、将三相输出电压采样信号vOA、vOB、vOC进行基频dq变换，得到dq坐标系下的电压反馈信号vOd、vOq；所得的两个电压反馈信号vOd、vOq分别与其参考值vOdref、vOqref作比较，其差分别通过第一PI调节器控制后分别得到dq坐标系下的指令信号iCdref、iCqref；
步骤2、将三相电感电流采样信号iLA、iLB、iLC与三相输出电流采样信号iOA、iOB、iOC分别作差，得到输出电容电流反馈信号iCA、iCB、iCC；将得的输出电容电流反馈信号iCA、iCB、iCC进行基频dq变换，得到dq坐标系下的基频反馈信号iCd、iCq；所得的两个基频反馈信号iCd、iCq分别与其指令信号iCdref、iCqref作比较，其差分别通过第二PI调节器控制后分别得到dq坐标系下的电容电流反馈控制信号vOdreg1、vOqreg1
步骤3、将三相电感电流采样信号iLA、iLB、iLC进行工频的5倍频dq变换和7倍频dq变换，并均经一阶惯性环节滤波后得到dq坐系下的5倍频反馈信号iLd5(5)、iLq5(5)和7倍频反馈信号iLd7(7)、iLq7(7)；所得的5倍频反馈信号iLd5(5)、iLq5(5)再分别进行iLd5(5)、iLq5(5)工频的5倍频dq反变换得到abc坐标系下的5倍频abc坐标信号iLA5(5)、iLB5(5)和iLC5(5)；所得的7倍频反馈信号iLd7(7)、iLq7(7)再分别进行iLd7(7)、iLq7(7)工频的7倍频dq反变换得到abc坐标系下的7倍频abc坐标信号iLA7(7)、iLB7(7)和iLC7(7)；将所得的5倍频abc坐标信号iLA5(5)、iLB5(5)、iLC5(5)进行基频dq变换，得到dq坐系下的5倍频初始调制信号iLd(5)和iLq(5)；将所得的7倍频abc坐标信号iLA7(7)、iLB7(7)和iLC7(7)进行基频dq变换，得到dq坐系下的7倍频初始调制信号iLd(7)和iLq(7)；所得的5倍频初始调制信号iLd(5)、iLq(5)以及7倍频初始调制信号iLd(7)、iLq(7)分别乘以-K1、K1、K2、-K2得到dq坐标系下的5倍频输出调制信号vOqreg2(5)、vOdreg2(5)和7倍频输出调制信号vOqreg2(7)、vOdreg2(7)，其中K1、K2为正实数常量；
步骤4、将输出调制信号vOdreg、vOqreg进行基频dq反变换，得到三相输出调制信号vOAreg、vOBreg、vOCreg；三相输出调制信号vOAreg、vOBreg、vOCreg分别与载波比较进行PWM调制，得到三相桥臂上开关器件的控制脉冲，将所述控制脉冲通过驱动电路后控制逆变器工作；所述输出调制信号vOdreg由电压反馈信号vOd、电容电流反馈控制信号vOdreg1、5倍频输出调制信号vOdreg2(5)和7倍频输出调制信号vOdreg2(7)相加所得；所述输出调制信号vOqreg由电压反馈信号vOq、电容电流反馈控制信号vOqreg1、5倍频输出调制信号vOqreg2(5)和7倍频输出调制信号vOqreg2(7)相加所得。
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